基于ANSYS的齿轮结构静力分析
基于ANSYS的汽车变速器结构静力分析
２３定 义边 界条 件 ．
变 速 器 输 入 轴 的动 力 来 源 于 发 动 机 ，通 过 离 合 器 与 发 动 机 相 连 。 发 动 机 输 出扭 矩 通 过 矩 形 花 键 传 递 给 输 入 轴 ． 图４
幽
Ｉ 工 况 下 变 速 器接 触 分 析 的应 力 分 布 图 档
体 模 型 ，如 图 ２所 示 。
即使 已 经满 足 收 敛 准 则 ，也 会 当 作 不 收敛 处 理 。
一
般 ，应 该 选 取 足 够 大 的 Ｆ Ｎ 以保 证 Ｆ Ｏ Ｎ 小 到 可 Ｋ ＴＬ
以接 受 ，但 同时 又 应 该 让 Ｆ Ｎ 足 够 小 而 不 致 引起 总体 刚 度 Ｋ
择 普 遍 的 柔 体 一 体 的接 触 类 型 ． 面 对 面 接 触 单 元 的 接 触 柔
ｏ
方 式 通 过 接 触 向 导建 立接 触 对 ，如 图 ３所 示 。
图 １ 渐 开 线 建模 的 坐 标转 换 示 意 图 令 画 出螺 旋 线 。将 斜 齿 轮 延 分 度 圆展 开 ，螺 旋 线 的几 何 关
求 ，
参考文献 ：
［ ］ 孙 桓 ， 陈作 模 ． 械 原 理 ： 第 六 版 『 ］ 北 京 ： 高等 教 育 出 １ 机 Ｍ
版 社 ．２０ ． ０ ５
ｆ ］ 陈 贤 青 ， 尹 辉 ，戴 湘 武 ． 于 Ｖｃ＋ ２ 基 ＋和 Ａ ＤＬ 实现 渐 开 线 齿 Ｐ
轮 参 数 化 建 模 ［］ ． 学 技 术 与 工 程 ， ２ ０ （ ） １ ５ — Ｊ 科 ０７ ７ ： ４ １
业 信 息 化
的 许 用 强 度 值 ４ ０ ａ 轴 变 形 的 最 大 位 移 小 于 ０１ ０ ＭＰ ； ． ｍｍ． 小 于轴 合 成 挠 度 的 许 用 值 ０ ｒ ．ａ ２ ｍ，所 以 变 速 器 各 个 轴 均 符 合 要 求 。 常 啮 合 齿 轮 对 最 大 齿 根 弯 曲 应 力 分 别 为 １ １ ４ ＭＰ ０ ． ３ ａ和 ｌ ０２ ａ 齿 轮 对 最 大 接 触 应 力 出 现 在 齿 ９ １． ＭＰ 。 轮 啮 合 接 触 区 域 ， 啮 合 齿 轮 对 最 大 的应 力 分 别 为 ３ ０ ａ ５ ＭＰ 和 ４ ９ ＭＰ ， 小 于 屈 服 强 度 ８ ０ ａ ９． ａ ４ ４ ＭＰ ，应 力 云 图 如 图 ４所 示 ，所 以变 速 器 一档 状 态 下 各 个 齿 轮 的 接 触 强 度 也 符 合 要
基于ANSYS的直齿圆柱齿轮应力仿真分析
１．２齿根过渡曲线的实现 齿根过渡曲线是由齿条刀具的齿顶圆 弧部分加工而成，假设刀具齿顶圆弧半
径为Ｐ，圆弧所对应的圆心角为五，齿
顺高为ｈ．，加工是当轮体转过爹角后， 齿条移动距离为ｌ，根据展成法加工原 理，接触点在转动着的轮体上的轨迹就 是齿条齿形的共轭齿形，因此，齿条过 渡圆角上点的坐标即是轮齿过渡曲线的方 程Ｉ ４ｉ：
万方数据
基础及前沿研究 帽科技信息２００６年第１ ２期
ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｊｕｎ．２００６
圆。一般认为单个齿轮的边界宽度和厚 度分别为６ｍ和１．７５ｍ（ｍ为模数），由此画 出齿根圆以下的部分，然后再把其组成一 个面。至此，整个轮齿的模型已建好。如图 ｌ所示。
本文链接：/Periodical_zgkjxx200612159.aspx
的轮齿的过渡曲线，但在应用时需注
意，坐标系ＡｑＡ是动坐标系，原点０
不动，两轴随痧角变化而旋转，所以在 绘制轮齿过渡曲线之前，需先将（２）式按 下式进行坐标变换【５】
Ｘ＝
Ｃ
一 ｇ试
ｙ
，● Ｊ、● ～
鲁ｌ 鼍墨
Ｓ
∞ｍ
毋毋
＋ 以以
Ｃ ∞ 毋毋
２，ＡＮＳＹＳ有限元仿真分析 ２．１轮齿模型的建立 由于用其它的ＣＡＤ软件创建的模型，
２．２材料属性与划分网格 对建好的模型进行网络划分，在此采用 Ｐ １ ａ ｎ ｅ ８ ２的单元模型，弹性模量取 Ｅ＝２ｅ１１Ｐａ；泊松比取“＝０．３，网络划分采 用自由划分。划分出来的模型如图２所示。 ２．３加载求解与后处理 对齿轮的加载本文从安全性的角度出 发，在齿顶圆的顶部施加线载荷。载荷 的大小可以根据电动机的功率和转速求 得，公式如下：
基于Ansys Workbench的齿轮副有限元分析
针齿中心圆半径r p根据经验公式：式中，前面系数取则，取。
④齿宽=150mm，前面系数取0.11偏心距，短幅系数，针齿半径rp=6.97mm，取r rp=7mm因，则最小曲率半径：计算得到，则，顶切。
⑧针径系数，计算得到K针齿销跨度L=3.5b c，计算得到齿面接触强度校核最大载荷，计算得到齿面接触强度计算。
根据赫兹公式，齿面接触应力按下式计算：1）当量弹性模量E e：摆线轮的弹性模量E1和针齿的弹性模量的弹性模量，故。
2）当量曲率半径ρei，得：令，，则：，且，故：3）任意瞬间针齿与摆线轮接触点的法向压力综上可得：令，Y1随K1、K2、z c以及接触的位置θbi不同而变化，当K1、K2、z c一定时，必有某个=θk使Y1达到最大值Y1max：则：根据插值法取Y1max=1.95。
代入数图3箱体图4装配体内部结构图1行星轮图2摆线轮4齿轮副有限元分析针对风电变桨减速器结构，对代表性的齿轮副进行了有限元模型的建立和分析，其中包括一对外啮合齿轮副、摆线轮与针齿接触副。
4.1外啮合齿轮副建立外啮合齿轮副的实体模型，并导入ANSYS中，应用Swept Meshing（扫掠法）进行网格划分，网格模型共计25140个单元，29010个节点，外啮合齿轮副有限元模型如图5所示。
图5外啮合齿轮副网格图外啮合齿轮副计算模型边界条件为：主动轮z1施加扭矩载荷，径向和轴向施加零位移约束，可绕中心线转动；动轮z2的切向、径向和轴向均施加零位移约束，边界条件如图6所示。
图6外啮合齿轮副边界条件4.2摆线轮与针齿接触副将建立的实体模型导入ANSYS Workbench中，建立摆线轮与针齿接触副有限元模型，应用Hex Dominat行网格划分，共计116254个单元，455334个节点，网格模型如图7所示。
图7摆线针齿网格图摆线轮与针齿接触副有限元模型分析边界条件为：齿外圈切向、径向和轴向均施加零位移约束；分布的轴承孔面径向和轴向施加零位移约束，所示。
Ansys静力分析详细步骤教学文案
12 13
图5
6.点击Mesh，点击Mesh Control，选择sizing，来插入网格。 15
16 14
图6
7.点击Body Sizing，选择Definition下的Element Size，输入5mm，来划分网格尺 寸。
17
18 图7
8.点击Mesh，选择Generate Mesh，系统开始划分网格，结果如下。 19 20
Ansys静力分析详细步骤
三.分析步骤
1.打开桌面Workbench14.5，进入窗口，点击Anslysis System 下的Static Structure选项。结果如图1
2
1 图1
2.右键Geometry选项，在快捷菜单中选择Import Geometry，然后选择Browse， 如图2所示：
36
图14
15.点击Solution，点击Solve，来计算结果，点击Total Deformation ，显示模型
总变形。
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40 图15
16. 点击Equivalent(von-Mises) ，显示等效应力。
41 图16
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3
4
5
图2
3.选择路径，导入事先准备好的Stp，Igs，x_t等模型档案。选中文件，点击打 开，如图3
6 7
8 图3
4.双击Engineering Data（工程数据），如下图左键点选相关材料，再点击黄 色加号，来添加材料。
9
1
0 图4
5.双击Model，进入Mechanical界面。如下图所示。点击MSBR，再点击Details of MSBR下的assignment右边的箭头，点击Stainless steel，来选择材料。
静力分析步奏
5 标准直齿圆柱齿轮有限元分析 5.1 利用ANSYS进行分析的假设前提 本次毕业设计只考虑标准直齿圆柱齿轮的单齿受力情况，所以利用ANSYS进行分析时，所加载荷在轮齿的齿顶线上，角度为45°，经过计算，有公式
cos211d
TFn得到轮齿所受法向力大小为1450N，所以施加在水平和垂直方向上
的力都为1000N。齿轮弹性模量为111006.2Pa，柏松比为0.3。 5.2将齿轮单齿模型导入ANSYS 用Pro/E将齿轮单齿模型保存为后缀为igs的格式，然后运行ANSYS10.0，单击File>Import>IGES弹出对话框，选择默认，选取保存的单齿模型文件chilun.igs（如图5-1所示），确定之后就将单齿模型导入到了ANSYS中了（如图5-2所示）。
图5-1 单齿模型导入ANSYS对话框 图5-2 导入ANSYS之后的单齿模型
5.3设定分析作业名和标题 在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库名，并在图形窗口中定义一个标题来说明当前进行的工作内容。另外，对于不同的分析范畴（结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析等），ANSYS所用的主菜单的内容不尽相同为此，我们需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS显示出与其相对应的菜单选项。其具体操作步骤如下： (1)从实用菜单中选择File>Change Jobname命令，打开对话框（如图5-3所示），修改作业名为danchifenxi，完成操作。
图5-3 工作名设定对话框 （2）从实用菜单中选择File>Change Title命令，打开对话框（如图5-4所示），修改标题名为contact analysis of a gear，完成操作。
图5-4 标题名设定对话框 （3）从实用菜单中选择Plot>Replot命令，完成工作名和标题的修改。 （4）从主菜单中选择Preference命令，选择Structural选项，完成操作。 5.4定义材料属性和单元类型
基于ANSYS的齿轮应力有限元分析报告
本科毕业设计论文题目：基于ansys的齿轮应力有限元分析学生：所在院系：机电学院所学专业：机电技术教育导师：完成时间：摘要本文主要分析了在ansys中齿轮参数化建模的过程。
通过修改参数文件中的齿轮相关参数，利用APDL语言在ANSYＳ软件中自动建立齿轮的渐开线。
再利用图形界面操作模式，通过一系列的镜像、旋转等命令，生成两个相互啮合的大小齿轮。
运用有限元分析软件ANSYS对齿轮齿根应力和齿轮接触应力进行分析计算,得出两个大小齿轮的接触应力分布云图。
通过与理论分析结果的比较,验证了ANSYS在齿轮计算中的有效性和准确性。
关键词:ANSYS,APDL，有限元分析,渐开线，接触应力。
Modeling and Finite Element Analysis of InvoluteSpur Gear Based on ANSYSAbstractWe have mainly analyzed spur gear parametrization modelling process in the ansys software. using the APDL language through revises the gear related parameter in the parameter document,we establishesgear's involute automatically in the ANSYS software.Then, using the graphical interface operator schema, through a series of orders ,mirror images, revolving and so on, we produce the big and small gear which two mesh mutually. Carring on the stress analysis of the gearby using the finite element analysis software-- ANSYS, we obtain two big and small gear's contact stress distribution cloud charts. through with the theoretical analysis result's comparison,we explain ANSYS in the gear computation validity and the accuracy.Keywords:ANSYS; APDL;finite element analysis;involute line;contact stress目录1绪论52齿轮仿真分析方法63齿轮实体模型的建立方法63.1直齿轮建模要求描述73.2渐开线的生成原理73.3创建渐开线曲线73.4齿根过渡曲线生成原理93.5创建齿廓特征104齿轮接触应力分析124.1模型网格划分124.2创建接触对144.3施加边界条件和载荷154.4求解164.5计算结果分析174.5．1仿真计算分析174.5.2理论分析175齿根弯曲应力分析175.1建立齿轮模型175.2划分网格185.3施加载荷和约束185.4求解185.5仿真分析与理论结果对比19 6结论19参考文献21附录22[1]大齿轮渐开线生成的命令流22[2]大小齿轮的基本参数表23辞241绪论齿轮是机械中广泛应用的传动零件之一，形式很多，应用广泛。
ANSYS结构分析指南结构线性静力分析
ANSYS结构分析指南第二章结构线性静力分析2.1 静力分析的定义静力分析计算在固定不变载荷作用下结构的响应，它不考虑惯性和阻尼影响--如结构受随时间变化载荷作用的情况。
可是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响(如重力和离心力)，以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷(如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷)的作用。
静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。
固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构响应随时间的变化非常缓慢。
静力分析所施加的载荷包括：外部施加的作用力和压力稳态的惯性力(如重力和离心力)强迫位移温度载荷(对于温度应变)能流(对于核能膨胀)关于载荷，还可参见§2.3.4。
2.2 线性静力分析与非线性静力分析静力分析既可以是线性的也可以是非线性的。
非线性静力分析包括所有类型的非线性：大变形、塑性、蠕变、应力刚化、接触(间隙)单元、超弹性单元等。
本章主要讨论线性静力分析。
对非线性静力分析只作简单介绍，其详细论述见《ANSYS Structural Analysis Guide》§8。
2.3 静力分析的求解步骤2.3.1 建模首先用户应指定作业名和分析标题，然后通过PREP7 前处理程序定义单元类型、实常数、材料特性、模型的几何元素。
这些步骤是大多数分析类型共同的，并已在《ANSYS Basic Analysis Guide》§1.2 论述。
有关建模的进一步论述，见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
2.3.1.1 注意事项在进行静力分析时，要注意如下内容：1、可以采用线性或非线性结构单元。
2、材料特性可以是线性或非线性，各向同性或正交各向异性，常数或与温度相关的：必须按某种形式定义刚度(如弹性模量EX，超弹性系数等)。
对于惯性载荷(如重力等)，必须定义质量计算所需的数据，如密度DENS。
ANSYS结构静力分析
第4页
ANSYS非线形分析指南
基本过程
力矩、位移、转动或这些项目的任意组合上。另外，每一个项目 可 以有不同的收敛容限值。 对多自由度问题，你同样也有收敛准则的选择问题。
当你确定你的收敛准则时，记住以力为基础的收敛提供了收敛的绝对量度，而以位移 为基础的收敛仅提供了表观收敛的相对量度。因此，你应当如果需要总是使用以力为基础 （或以力矩为基础的）收敛容限。如果需要可以增加以位移为基础（或以转动为基础的）收 敛检查，但是通常不单独使用它们。
图 1─1 非线性结构行为的普通例子
非线性行为的原因 引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型：
状态变化（包括接触） 许多普通结构的表现出一种与状态相关的非线性行为,例如，一根只能拉伸的电缆可能
是松散的,也可能是绷紧的。轴承套可能是接触的,也可能是不接触的, 冻土可能是冻结的,也 可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态的改变在不同的值之间突然变化。状态改变也 许和载荷直接有关（如在电缆情况中）， 也可能由某种外部原因引起（如在冻土中的紊乱 热力学条件）。ANSYS 程序中单元的激活与杀死选项用来给这种状态的变化建模。
如果你预料你的结构的行为将从线性到非线性变 化，你也许想要在系统响应的非线性 部分期间变化时间步长。在这样一种情况，你可以激活自动时间分步以 便随需要调整时间 步长，获得精度和代价之间的良好平衡。同样地，如果你不确信你的问题将成功地收敛，你 也许想要使用自动时间分步来激活 ANSYS 程序的二分特点。
无论何时只要平衡迭代收敛失败二分法将把时间步长分成两半然后从最后收敛的子步自动重启动如果已二分的时间步再次收敛失败二分法将再次分割时间步长然后重启动持续这一过程直到获得收敛或到达最小时间步长由你指定
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基于ANSYS的齿轮结构静力分析
摘要：本文基于强度分析的原理，利用三维建模软件SOLIDWORKS建立好
齿轮模型，然后转换格式利用Pro/E和ANSYS接口，将齿轮模型导入到ANSYS
中，从而在一定的载荷和约束作用下对齿轮进行强度分析。强度分析有动态分析
和静态分析两种，本文只进行静态分析，分析齿轮的应力应变集中的地方是否合
理，并从分析所得到的数据中研究其最大应力是否满足要求，从而完成对齿轮的
结构静力分析。
关键词：强度分析 ANSYS 有限元分析 齿轮结构
1前言
齿轮机构可以用来传递任意两轴之间的运动，其传递准确可靠，效率很高，
而且齿轮机构是传统和现代机械中应用最为广泛的一种传动机构[1]。在各种零
件失效的形式中，齿轮也是最容易出现失效的常见零件之一。而且零件的结构强
度分析关系到所设计的机器能否正常工作并达到一定的使用要求，因此对齿轮的
强度进行分析是很有必要的。强度分析的目的主要是分析零件的结构强度是否满
足要求，分析所用的数据或图表的来源既可以是一些经验公式分析后得到的，也
可以是从一些相关的强度分析软件中得到。一般的齿轮都是渐开线齿廓，可以利
用相关的软件进行建模，如本文采用了美国参数技术公司开发的建模软件Pro/E
进行齿轮建模，然后再导入ANSYS进行强度分析。
2有限元模型的建立
2.1 几何模型的建立
齿轮的基本参数齿轮：模数m=2.5mm，齿数z=33，压力角α=25°，为正常
齿制的齿轮，h*a=1，c*=0.25，齿宽b=94mm。
为了更加简便的建模，首先使用SOLIDWORKS软件将齿轮的三维实模型建
立好。而且由于是结构静力分析，载荷往往只在一个齿上，为了使分析效率有所
提高，又可以节约计算机的分析时间，根据圣维南原理，可将模型进行一定的简
化。如图2-1所示。
2.2 模型的导入
2.2.1ANSYS简介
伴随有限元方法理论的发展，为了更好的使用有限元方法理论进行工程问题
的分析求解，一些大型软件应运而生，其中就包括了ANSYS。ANSYSA是运用
最为广泛的有限元分析软件之一，可以对分析对象进行动态、静态和热传导等分
析。它还可以通过对分析对象输入相关属性、添加约束以及载荷后，可以由其相
关的后处理模块进行应力、应变和温度等分析，进而得到相关的结果。
2.2.2模型的导入
齿轮其他的基本参数：齿轮的扭矩为T=325.320N·m，齿轮材料为40Cr[2]，
密度为7.8×103kg/m3，弹性模量为211GPa，泊松比为0.277。
由于ANSYS存在有与Pro/E的接口，故可以把SOLIDWORKS建立好的模
型另存为“prt”格式，再将模型导入ANSYS里面，进而就可以利用ANSYS进行
有限元分析了。
2.3划分网格
为了对齿轮进行比较精确的结构静力分析，取简化后的模型为研究对象，考
虑到一些实际的因素，如齿轮的齿形、齿轮的精度等，选用“solid95”型为有限元
的网格单元。“solid95”是一种空间实体单元，适合曲线边界建模，且具备许多功
能。采用“扫略”这种操作方式进行网格划分，网格的划分越精细，其结果也越精
确，导入和划分后的图形如图2-2所示。
3求解及后处理
对齿轮进行结构静力分析，约束主要是施加对圆柱孔面的约束以及一个齿面
的约束。对齿轮施加的载荷为施加在圆柱孔面上的扭矩。这样经过施加约束和载
荷后就可以用ANSYS的后处理来进行结构分析了。本文对齿面进行的是静态分
析，因此选择通用的后处理对结果进行分析。通过求解理后可得到齿轮等效应力
云图，如图2-3所示。
4结果分析
采用通用后处理操作方式对求解的结果进行处理，通过彩色云图显示应力、
应变的分布，以不同的颜色表示不同的应力值，这样之后使得齿轮的内部应力应
变分布情况一目了然。从应力云图可知，齿轮的齿根部分出现了最大的应力，其
最大的应力为522.962Mpa。齿根也是齿轮发生应力集中的主要部位，有极大的
可能出现疲劳断裂的现象。一般的渐开线齿轮最容易出现的失效形式之一是断
裂，它发生的位置也是在齿根部位，因此从这个结果上看，与实际工作的情况相
吻合。
5结束语
本文通过Pro/E和ANSYS接口技术，对工程实际中的齿轮在一定的载荷和
约束条件下进行有限元分析，得到相关强度分析的数据，研究得到结论与实际相
符。本文为齿轮静力分析提供了宝贵的理论依据，具有重要的实际意义。
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